1200V dan Meningkatnya: Ilmuwan Mendorong Batasan Semikonduktor GaN Berkinerja Tinggi
Fraunhofer Institute sedang mengembangkan komponen semikonduktor berbasis galium nitrida yang efisien untuk teknologi transisi energi utama, yang bertujuan untuk meningkatkan kinerja dan mengurangi biaya elektronika daya. Kemajuan ini mendukung bidang-bidang penting seperti kendaraan listrik dan energi terbarukan, sehingga mendorong peralihan menuju masyarakat netral iklim. Kredit: Fraunhofer IAF
Para ilmuwan telah mengembangkan semikonduktor GaN untuk meningkatkan efisiensi dan mengurangi biaya kendaraan listrik dan energi terbarukan, sehingga membantu transisi energi.
Teknologi-teknologi utama yang penting bagi transisi energi—termasuk kendaraan listrik, konverter infrastruktur pengisian daya, sistem penyimpanan energi, serta pembangkit listrik tenaga surya dan angin—sangat bergantung pada komponen elektronik yang menghasilkan kinerja dan efisiensi tinggi. Celah pita yang lebar semikonduktor sangat penting dalam pengembangan komponen ini karena mereka beroperasi dengan kerugian yang lebih rendah, menangani tegangan yang lebih tinggi, dan mentolerir suhu yang lebih besar dibandingkan dengan semikonduktor berbasis silikon (Si) tradisional.
Institut Fraunhofer untuk Fisika Keadaan Padat Terapan (IAF) menggunakan semikonduktor daya galium nitrida (GaN) untuk mengembangkan transistor inovatif dan sirkuit daya terintegrasi (IC daya GaN) dengan kinerja tinggi dan kepadatan integrasi tinggi untuk aplikasi elektronika daya.
“Transisi energi tidak hanya diperlukan untuk menjaga kualitas hidup kita, namun juga merupakan peluang untuk mengamankan kekuatan ekonomi Eropa melalui teknologi masa depan di bidang mobilitas dan industri energi. Komponen semikonduktor yang efisien, bertenaga, dan hemat biaya adalah komponen kunci transformasi ini,” jelas Dr. Richard Reiner, ilmuwan di unit bisnis Energy Electronics di Fraunhofer IAF.
Para peneliti di institut tersebut saat ini sedang mengerjakan realisasi teknologi HEMT berbasis GaN dengan pemblokiran tegangan hingga dan di atas 1200 V, yang dapat digunakan untuk berbagai CO2 langkah-langkah pengurangan sebagai bagian dari transisi energi, seperti pengisian dua arah pada kendaraan listrik. GaN HEMT dimaksudkan untuk memberikan alternatif terhadap transistor efek medan semikonduktor oksida logam (MOSFET) yang sudah tersedia yang terbuat dari silikon karbida (SiC), yang sangat mahal dan oleh karena itu tidak cocok untuk digunakan secara luas. Fraunhofer IAF melakukan beberapa pendekatan untuk tujuan ini: pemrosesan HEMT GaN pada substrat Si (HEMT GaN-on-Si), penggunaan substrat pembawa berinsulasi tinggi seperti safir, SiC atau juga GaN (HEMT GaN-on-isolator) dan pengembangan teknologi GaN vertikal.
HEMT GaN-on-Si, HEMT GaN-on-isolator, dan HEMT GaN vertikal untuk aplikasi tegangan tinggi
Semua pendekatan memungkinkan komponen GaN tegangan tinggi berkinerja tinggi, efisien, dan hemat biaya dengan potensi penerapan besar di bidang teknologi utama transisi energi. HEMT GaN-on-Si lateral sudah tersedia secara komersial, tetapi terbatas pada tegangan pemblokiran 650 V karena terbatasnya ketebalan lapisan GaN. Dengan terus mengoptimalkan materials dan pemrosesannya (epitaxy, pemrosesan, penataan), para peneliti di Fraunhofer IAF mampu mendemonstrasikan HEMT GaN-on-Si dengan tegangan pemblokiran statis lebih dari 1200 V. Selain itu, komponen daya dialihkan hingga 1100 V dalam dudukan pengukur berorientasi aplikasi (pengukuran pulsa ganda).
Pada pendekatan kedua, para peneliti mengganti Si konduktif dengan substrat pembawa yang sangat terisolasi seperti safir, SiC, atau GaN, yang secara digital menghilangkan batas tegangan. HEMT GaN-on-sapphire lateral dapat diproduksi dengan biaya efektif berdasarkan pekerjaan awal yang relevan untuk aplikasi dioda pemancar cahaya dan dapat diproduksi di jalur produksi yang ada.
Teknologi GaN vertikal, di mana aliran arus mengalir secara vertikal melalui lapisan materials, memungkinkan kinerja yang lebih besar dengan efisiensi dan kemampuan integrasi yang lebih tinggi pada saat yang bersamaan. Dalam dekade berikutnya, para peneliti di Fraunhofer IAF ingin membuat IC daya GaN vertikal yang cocok untuk keperluan industri. Tujuannya juga untuk membantu membentuk lompatan teknologi berikutnya dalam transformasi menuju masyarakat netral iklim.
Pertemuan: PCIM Eropa 2024
Richard Reiner akan memberikan gambaran umum tentang perkembangan IC daya GaN lateral dan vertikal dalam presentasinya “IC Daya GaN Lateral dan Vertikal: Standing dan Masa Depan,” yang akan ia sampaikan pada 12 Juni pukul 10:50 di PCIM Eropa pada Panggung Teknologi di Aula 7.
Richard Reiner juga akan memberikan wawasan tentang berbagai teknologi lateral 1200 V GaN dalam presentasinya “Kerusakan Lebih dari 1200 V dan Resistansi On-State Spesifik Space Rendah berdasarkan Kemajuan dalam GaN-on-Si dan GaN-on-Insulator Lateral Applied sciences,” yang akan berlangsung pada 12 Juni pukul 14:50 di Stage Brussels 2 dalam sesi “Gadget Ideas”.
Juni-Prof. Stefan Mönch juga akan mewakili Fraunhofer IAF di PCIM Eropa dengan presentasi pada 11 Juni pukul 14:50 di Tahap Brussels 1 dalam sesi “Pengonversi GaN”: “Konverter Daya Beban Kapasitif 6 Tingkat Berbasis GaN yang Efisien Lebih dari 99,7% .”
